JP2008191122A - 表面形状測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象の複数の検査部位の表面高さを共焦点法により一括して測定する際に、各検査部位からの反射光線の干渉を防止できる。
【解決手段】広帯域波長の光線を複数に分割する伝送手段２と、分割された各光線の波長を異ならせるように選択する第１波長選択手段３と、波長選択された各光線を各検査部位に集光し、反射光線を受光する送受信手段５と、各検査部位からの反射光線を集光させる集光手段７ａ、７ｂと、集光された各反射光線を通過させる開口手段８と、各反射光線の波長を選択して他との干渉を避ける第２波長選択手段１０と、波長選択後の各反射光線の光量を検出する光検出器１１と、共焦点の原理により、検査部位の位置が送受信手段の焦点と一致した場合に反射光線の集光径が最小となり、光量が最大となるため、検出光量が最大となる送受信手段の位置を表面高さとして、各検査部位の表面高さを求める表面高さ演算手段１２とを有するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、検査対象の複数の検査部位における表面形状（表面高さ）を、共焦点法を用いて広範囲に一括して測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。

検査対象の表面形状を非接触で測定する手法の一つとして共焦点法がある。共焦点法では、検査対象の検査部位へ集光レンズを介して集光照射した光の反射光は、集光照射した光と共焦点の関係になるように集光する。これにより、反射光の焦点位置における集光径が、検査部位へ集光照射した光の集光径と同一となり、検査部位へ集光照射した光の集光径によって集光レンズから検査部位までの距離が光学的に分かるため、反射光の集光径によって、集光レンズから検査部位までの距離である検査部位の表面高さを求めることができる。共焦点法では、検査対象の検査部位へ光を集光照射して、その検査部位における集光点の表面高さを求めるため、高空間分解能で表面高さを測定できるが、検査対象の広範囲の表面高さを測定する場合には走査が必要となり、測定に長時間を要するという課題がある。

このため、共焦点法の探触子（つまり、上記集光レンズ等を有する共焦点光学系）を複数組み合せ、複数の検査部位を一括して測定し、検査対象における広範囲の表面高さ（表面形状）を測定する手法がある。この手法を用いた共焦点法の装置としては、図１０に示す装置（共焦点顕微鏡）が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。この装置では、光源１００からの偏光した光が、ビームスプリッタ１０１へ入射し、複数のレンズから成るレンズアレイ１０２によって分割される。分割された各光は、レンズアレイ１０２の各レンズに対応した開口を有する開口アレイ１０３を通り、同時にその偏光方向が隣り合う光で直交するように偏光方向が調整される。そして、集光レンズアレイ１０４により、各光が検査対象１０５へ照射され、その反射光が受光される。

このように、隣り合う光で偏光方向を直交させて光を検査対象１０５へ照射することにより、共焦点法の探触子を複数組み合わせた場合でも、隣り合う光の反射光が干渉することがない。各反射光は、集光レンズアレイ１０４および開口アレイ１０３によって照射した光と共焦点の関係となり、レンズアレイ１０２およびビームスプリッタ１０１を通って撮像素子１０６で観測される。撮像素子１０６では、各反射光の集光径の画像が一括して観測され、共焦点の原理によってこの集光径から各検査部位の表面高さがわかるため、検査対象１０５における広範囲の表面高さ（表面形状）を一度に求めることができる。

以上のように、隣り合う光で偏光方向を直交させて検査対象１０５へ各光を照射させることにより、共焦点法の探触子を複数組み合わせた場合であっても、隣り合う反射光が干渉することなく、複数の検査部位を一括して測定し、検査対象１０５における広範囲の表面高さを測定することができる。
国際公開第２００４／０３６２８４ Ａ１号パンフレット

しかしながら、特許文献１に記載の共焦点法の装置では、例えば、検査対象における複数の検査部位のそれぞれへ照射する各光において、上下左右方向に位置する各光の偏光方向を隣接する光において直交させた場合、対角方向に位置する光の偏光方向を直交させることができない等、隣り合う光の偏光方向を全て直交させることができない。このため、隣り合う反射光の干渉を完全に取り除くことができないという課題がある。

そこで、本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、検査対象の複数の検査部位の表面高さ（表面形状）を、共焦点法を用いて一括して測定する場合に、複数の検査部位からの各反射光線の干渉を確実に防止して、検査対象の表面形状を広範囲に効率的に測定できる表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供することにある。

本発明は、広帯域波長の光線を発する光源と、この光源からの光線を伝送して複数の光線に分割する伝送手段と、複数に分割された各光線の波長が異なるように各光線の波長を選択する第１波長選択手段と、波長選択された各光線を検査対象の各検査部位に集光し、それぞれの検査部位からの反射光線を受光する送受信手段と、この送受信手段をその焦点方向に走査する焦点方向走査手段と、上記送受信手段を走査して得られた各検査部位の反射光線をそれぞれ集光させる集光手段と、この集光手段の焦点位置に設置され、集光された各反射光線を通過させる開口手段と、この開口手段を通過した各反射光線の波長を選択して他の反射光線との干渉を波長によって回避する第２波長選択手段と、波長選択後の反射光線が前記開口手段を通過した反射光線を表わし、この開口手段を通過する反射光線の光量がその集光径で変わることから、波長選択後の各反射光線の光量を検出する光検出器と、共焦点の原理により、検査部位の位置が前記送受信手段の焦点と一致した場合に反射光線の集光径が最小となり、前記開口手段を通過する光量が最大となるため、前記光検出器による検出光量が最大となる前記送受信手段の位置を表面高さとして、各検査部位の表面高さを求める表面高さ演算手段と、を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、検査対象の複数の検査部位の表面高さ（表面形状）を、共焦点法を用いて一括して測定する場合に、伝送手段により分割された複数の各光線の波長を第１波長選択手段により異ならせ、この波長が異なる複数の光線を検査対象へ照射することにより、検査対象の複数の検査部位からの各反射光線の波長がそれぞれ異なるため、これらの各反射光線が互いに干渉することを確実に防止できる。この結果、複数の検査部位の表面高さを一括して測定し、検査対象の表面形状を広範囲に効率的に測定することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

〔Ａ〕第１の実施の形態（図１、図２）
図１は、本発明に係る表面形状測定装置の第１の実施の形態を示す構成図である。本実施の形態の表面形状測定装置１１Ａは、検査対象の複数の検査部位における表面高さを共焦点法によって一括して測定し、広範囲の表面高さを効率的に測定するものであり、光源１、伝送手段２、第１波長選択手段３、送受信手段５、焦点方向走査手段６、集光手段７ａ、７ｂ、開口手段８、伝送手段９、第２波長選択手段１０、光検出器１１、表面高さ演算手段１２、移動手段１３及び繋ぎ合せ演算手段１４を有して構成される。

光源１は、広帯域波長の光を発光するものである。この光源１は、異なる波長が含まれる光を同時に発する光源で構成され、例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀等のランプ、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ 自然放出光）光源、または波長が異なるＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ 半導体レーザ）、ＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｉｏｄｅ スーパー・ルミネスセンス・ダイオード）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ 発光ダイオード）等の発光素子やレーザ等を複数組み合わせて構成される。

伝送手段２は、複数の検査部位を一括して測定するため、光源からの光線を伝送して複数の光線に分割するものである。この伝送手段２は、分割する光線の数に対応する数だけ束ねた光ファイバ、または単一の光ファイバとその出力端に格子状に並べた光学レンズを備える等により構成される。格子状に並べた光学レンズは、光ファイバによって伝送された光線を分割するための光学レンズであり、例えば、単一レンズや複数枚で構成されるレンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ等を格子状に並べて構成される。

第１波長選択手段３は、複数に分割された各光線の波長が異なるようにして光線間の干渉を避けるため、各光線の波長を選択するものである。この第１波長選択手段３は、分割された光線の波長をそれぞれ異なるようにするために格子数ｎ×ｎの格子状に並べられた波長選択素子を有してなり、例えば、干渉フィルタ、色ガラスフィルタ等を格子状に並べて構成される。

送受信手段５は、波長選択された各光線を検査対象４の各検査部位に集光し、各検査部位からのそれぞれの反射光線を受光するものである。この送受信手段５は、分割された光線を検査対象４の各点に集光し、それぞれの反射光線を受光するため、格子数ｎ×ｎの格子状に並べられた光学レンズを有してなり、例えば、単一レンズや複数枚で構成されるレンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ等を格子状に並べて構成される。

焦点方向走査手段６は、共焦点法によって各点の表面高さを求めるため、送受信手段５をその焦点方向（検査対象４に対して垂直方向）に走査するものである。この焦点方向走査手段６は、送受信手段５をその焦点方向に走査するための一軸の走査機構であり、送受信手段５の位置を示す位置信号を出力する。焦点方向走査手段６は、例えば、ＡＣモータ、ＤＣモータ、パルスモータ等を備えて構成される。

集光手段７ａ、７ｂは、送受信手段５を焦点方向に走査して得られた各検査部位の反射光線をそれぞれ集光させるものである。集光手段７ａは、各反射光線を取り出すための光学素子であり、例えば、ハーフミラー、ビームスプリッタ、ビームサンプラー等で構成される。また、集光手段７ｂは、送受信手段５と同様に、格子数ｎ×ｎの格子状に並べられた光学レンズを有してなり、例えば、単一レンズや複数枚で構成されるレンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ等を格子状に並べて構成される。

開口手段８は、集光手段７ｂの焦点位置に設置され、集光された各反射光線を通過させるものである。この開口手段８は、集光手段７ｂを構成する光学レンズのそれぞれの焦点位置に設置され、格子数ｎ×ｎの格子状に並べられた開口であり、例えば、金や銅等の薄板にピンホールを格子状に製作して構成される。

伝送手段９は、開口手段８を通過した各反射光線を伝送するものである。この伝送手段９は、反射光線の数に対応する数だけ束ねた光ファイバ、または単一の光ファイバで構成される。

第２波長選択手段１０は、伝送手段９による伝送後の各反射光線の波長を選択して、他の反射光線との干渉を波長によって避けるものである。この第２波長選択手段１０は、第１波長選択手段３の各格子で選択される波長と同じ波長の光を、対応する格子で選択できるように、格子数ｎ×ｎの格子状に並べられた波長選択素子を有してなり、第１波長選択手段３と同様に、例えば、干渉フィルタ、色ガラスフィルタ等を格子状に並べて構成される。

光検出器１１は、波長選択後の反射光線が開口手段８を通過した反射光線を表わし、開口手段８を通過する光量がその集光径で変わることから、各反射光線の光量を検出するものである。この光検出器１１は、各反射光線の光量を検出するように格子数ｎ×ｎの格子状に並べられた光電変換器を有してなり、各反射光線の光量に関する信号を出力する。光検出器１１は、例えば、フォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、アバランシュフォトダイオード、光電管、光電子増倍管等を格子状に並べて構成される。

表面高さ演算手段１２は、共焦点の原理により、送受信手段５を焦点方向に走査して検査部位の位置が送受信手段５の焦点と一致した場合に、反射光線の集光径が最小となり、開口手段８を通過する光量が最大となるため、検出器１１の検出光量が最大となる送受信手段５の位置から各検査部位の表面高さを求めるものである。この表面高さ演算手段１２は、焦点方向走査手段６が出力する位置信号と、光検出器１１が出力する各反射光線の光量に関する信号とを取り込み、各検査部位の表面高さを演算して記憶し、必要に応じて出力するための装置である。この表面高さ演算手段１２は、例えば、位置信号や光量に関する電気信号を取り込み、各検査部位の表面高さの電気信号を出力するための入出力インタフェースを備えたＰＣ（パーソナルコンピュータ）で構成される。ＰＣは、デスクトップＰＣ，ラップトップＰＣ，ノートＰＣ等の汎用ＰＣが適用可能である。

移動手段１３は、検査対象４の表面と平行な水平方向（送受信手段５の焦点方向に垂直な方向）に、少なくとも送受信手段５を移動させるものである。この移動手段１３は、検査対象４の表面と平行な水平方向に送受信手段５移動させるための二軸の走査機構であり、送受信手段５の水平位置（検査対象４の表面と平行な水平方向の位置）を示す位置信号を出力する。この移動手段１３は、焦点方向走査手段６と同様、例えば、ＡＣモータ、ＤＣモータ、パルスモータ等を備えて構成される。

繋ぎ合せ演算手段１４は、検査部位を重複させて測定結果の重複部分を繋ぎ合せ、広範囲の表面高さを求めて表示するものである。この繋ぎ合せ演算手段１４は、移動手段１３が出力する位置信号と表面高さ演算手段１２が出力する各検査部位の表面高さ信号を取り込み、検査領域１５、１６（図２）を重複させて測定結果の重複部分１７を後述の如く繋ぎ合せ、広範囲の表面高さを演算して記憶するための装置である。この繋ぎ合せ演算手段１４は、例えば、位置信号や表面高さの電気信号を取り込むための入力インタフェースを備えたＰＣで構成される。ＰＣは、デスクトップＰＣ，ラップトップＰＣ，ノートＰＣ等の汎用ＰＣが適用可能である。

次に、本表面形状測定装置１１Ａの作用を説明する。

光源１からの広帯域波長の光線は、伝送手段２によって伝送されると共に、光線数ｎ×ｎの光線に分割され、さらに波長選択手段３により、波長がそれぞれ異なる光線数ｎ×ｎの光線になる。そして、各光線は、集光手段７ａを通った後、格子数ｎ×ｎの送受信手段５によって検査対象４のｎ×ｎの検査部位に集光される。他方、この送受信手段５は、焦点方向走査手段６により検査対象４に対して焦点方向に往復運動をするように走査され、このため、検査部位の表面に集光され各光線の集光径が変わるが、各検査部位が送受信手段５の焦点に位置した場合にそれぞれ最小の集光径φとなる。

そして、各検査部位の表面からの反射光線は、送受信手段５で受光され、集光手段７ａで反射された後、格子数ｎ×ｎの集光手段７ｂにより開口手段８の各開口に集光される。開口手段８の開口は、集光手段７ｂの各焦点に設置されているため、開口手段８へ集光された各反射光線は、検査部位に集光したそれぞれの光線と共焦点の関係になる。ここでは、開口手段８の開口径が上記集光径φと同一に設定されているため、各検査部位がそれぞれ送受信手段５の焦点に位置した場合、共焦点の原理により反射光線の集光径が上記集光径φと一致し、対応する開口を通る反射光線の光量が最大となる。

光電変換器数ｎ×ｎの光検出器１１では、波長選択手段３で選択した光線と同じ波長の反射光線を波長選択手段１０により波長選択して受光する。反射光線は、光線数ｎ×ｎであるが、波長がそれぞれ異なるため、光検出器１１では隣り合う反射光線や隔たった反射光線が干渉して検出されることがない。これにより、光検出器１１の各光電変換器では、それぞれの反射光線の光量だけを検出でき、共焦点の関係から反射光線の光量が最大となる場合の送受信手段５の位置が、その検査部位の表面高さを表わすことになる。

そこで、表面高さ演算手段１２によって、各反射光線の光量が最大となる場合の送受信手段５の位置をそれぞれ求めることにより、各反射光線が干渉することなく、図２の検査領域１５におけるｎ×ｎの検査部位４Ａの表面高さを一括して求め、広範囲の表面高さを効率的に測定することができる。また、検査領域１５における各検査部位４Ａ間の表面高さについては、正弦関数や多項式関数などにより補間して求めることができる。

続いて、移動手段１３により、図２に示す検査領域１５から次の検査領域１６に重複部分１７を持たせて移動させる。そして、検査領域１５の場合と同様にして、表面高さ演算手段１２において、検査領域１６におけるｎ×ｎの検査部位４Ａの表面高さを一括して求める。ここで、移動先の検査領域１６では、送受信手段５の高精度な位置決めやその位置把握が不要であり、このため移動手段１３の位置決め精度や移動精度も高精度である必要はない。

表面高さ演算手段１２で求めた検査領域１５、１６の表面高さは、繋ぎ合せ演算手段１４へ伝送されるが、検査対象４と送受信手段５の距離が、検査領域１５、１６で異なるため、そのまま繋ぎ合せただけでは、検査領域１５、１６の繋ぎ目に段差が発生し、正確な表面高さを表わすことができない。

このため、まず、検査領域１６のおおよその重複部分１７を切り出し、切り出した重複部分１７と検査領域１５のおおよその重複部分１７との間で表面高さに関するパターンマッチングを行う。そして、同一パターンの部分を見つけ出し、同一パターンの部分で検査領域１５、１６を重ね合わせることにより、検査対象４の表面に平行な水平方向に関して検査領域１５、１６を繋ぎ合せる。次に、重複部分１７の表面高さが検査領域１５、１６で同じであるため、検査領域１６の表面高さを全体的にシフトして検査領域１５の表面高さと一致させ、検査対象４の表面に垂直な垂直方向（送受信手段５の焦点方向）に関して検査領域１５、１６を繋ぎ合せる。これにより、水平方向および垂直方向で検査領域１５、１６を繋ぎ合せることができ、これを繰り返すことにより、広範囲の表面高さを効率的に求めて表示することができる。

従って、本実施形態の表面形状測定装置１１Ａによれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。

（１）検査対象４における複数の検査部位４Ａの表面高さ（表面形状）を、共焦点法を用いて一括して測定する場合、伝送手段２により分割された複数の各光線を第１波長選択手段３により異ならせ、この波長がそれぞれ異なる複数の光線を検査対象４へ照射することにより、検査対象４の複数の検査部位４Ａからの各反射光線の波長がそれぞれ異なり、このため、これらの各反射光線が互いに干渉することを確実に防止できる。この結果、検査対象４の複数の検査部位４Ａの表面高さを一括して測定でき、検査対象４の表面形状（表面高さ）を広範囲に効率的に測定することができる。

（２）検査領域１５、１６に重複部分１７を持たせ、この重複部分１７を繋ぎ合せることにより、送受信手段５の高精度な位置決めや位置把握が不要となる。このため、検査時間を短縮でき、また高精度な位置決め精度や移動精度を必要としない簡素な移動機構により移動手段１３を構成することができる。

〔Ｂ〕第２の実施の形態（図３〜図５）
図３は、本発明に係る表面形状測定装置の第２の実施の形態を示す構成図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は同一の符合を付し、詳細な説明を省略する。

本実施の形態の表面形状測定装置１２Ａは、検査対象の複数の検査部位における表面高さを共焦点法によって一括して測定し、広範囲の表面高さを効率的に測定するものであり、光源１、伝送手段２、第１波長選択手段３、送受信手段１８、集光手段７ａ、７ｂ、集光径観測手段１９、伝送手段２０及び表面高さ演算手段２１を有して構成される。

光源１は、広帯域波長の光線を発するものである。また、伝送手段２は、検査対象４の複数の検査部位を一括して測定するため、光源１からの光線を伝送して複数の光線に分割するものである。更に、第１波長選択手段３は、複数に分割された各光線の波長が異なるように各光線の波長を選択して、光線間の干渉を回避する干渉回避手段である。

送受信手段１８は、複数の円筒形光学素子４１（図４）で構成され、外的作用としての電圧、圧力、熱等の付与により上記光学素子４１の焦点距離が変わり、波長選択された各光線を検査対象４の各検査部位に集光し、それぞれの反射光線を受光するものである。つまり、この送受信手段１８は、分割された光線をそれぞれ線形状の光線２２（後に詳説）にして検査対象４の各検査部位に集光し、各反射光線を受光するため、図４に示すように一様に並べられた円筒形光学素子４１を有する。この円筒形光学素子４１は、例えば、集光効果のある方向２３Ａに揃えて並べられたシリンドリカルレンズで構成される。各円筒形光学素子４１は、電圧付与によるポッケルス効果やカー効果等の電気光学効果、熱付与による熱光学効果、圧力付与による光弾性効果によって屈折率が変化し、その焦点距離がそれぞれ変わるようになっている。この円筒形光学素子４１では、集光効果のある方向２３Ａに対し直交する方向には集光効果がないので、この方向を集光効果のない線方向２３Ｂと称する。

集光手段７ａ、７ｂは、送受信手段１８への電圧、圧力、熱等の付与量から焦点距離を変えて得られた各検査部位の反射光線をそれぞれ集光させるものである。

集光径観測手段１９は、集光手段７ｂの焦点位置に設置され、集光された各反射光線の波長を選択して他の反射光線との干渉を波長によって避け、各反射光線の集光径を撮像するものである。この集光径観測手段１９は、第１波長選択手段３の各格子で選択される波長と同じ波長の光を、対応する格子で選択して撮像するように、格子数ｎ×ｎの格子状に並べられた波長選択素子を受光面に取り付けた撮像素子で構成される。撮像素子の観測画像は、電気信号に変換されて出力される。波長選択素子は、第１波長選択手段３と同様に、例えば、干渉フィルタ、色ガラスフィルタ等を格子状に並べて構成され、撮像素子は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等で構成される。

伝送手段２０は、集光径観測手段１９にて観測された観測画像を伝送するものである。この伝送手段２０は、電気信号に変換された観測画像の電気信号を伝送するためのケーブルである。

表面高さ演算手段２１は、共焦点の原理により、反射光線の集光径が最小となるときの送受信手段１８の焦点距離が表面高さとなることから、反射光線の集光径が最小となる時の電圧、圧力、熱等の付与量を知り、予め把握している付与量と送受信手段１８の焦点距離との関係から表面高さを求めるものである。つまり、この表面高さ演算手段２１は、送受信手段１８に付与する電圧、圧力、熱等を出力する機器を備え、観測画像を取り込み、各検査部位の表面高さを演算して記憶する装置である。装置内部には、電圧、圧力、熱の付与量と送受信手段１８の焦点距離との関係が予め記憶されている。表面高さ演算手段２１は、例えば、電圧、圧力、熱等を出力する機器を備え、観測画像の電気信号を取り込むための入力インターフェースを備えたＰＣ（パーソナルコンピュータ）で構成される。ＰＣは、デスクトップＰＣ，ラップトップＰＣ，ノートＰＣ等の汎用ＰＣが適用可能である。

次に、本表面形状測定装置１２Ａの作用を説明する。

光源１からの広帯域波長の光線は、伝送手段２及び第１波長選択手段３によって第１の実施形態と同様の作用を受け、波長がそれぞれ異なる光線数ｎ×ｎの光線になり、送受信手段１８によって検査対象４に集光される。この場合、検査対象４へ集光される光線は、集光効果のある方向２３Ａにのみ集光されるので、図５に示すように線形状光線２２となる。線形状光線２２はｎ本であり、それぞれの線形状光線２２は、波長の異なるｎ個の領域４２が連続して構成される。

また、送受信手段１８には、円筒形光学素子４１のそれぞれの焦点距離が検査対象４に対して往復運動をするように電圧、圧力、熱等が付与されている。このため、検査対象４の表面に集光される線形状光線２２の集光幅が変わるが、各検査部位が送受信手段１８の焦点に位置した場合にそれぞれ最小の集光幅となる。送受信手段を焦点方向に機械走査する場合には、走査に時間がかかる、可動部分の消耗による精度低下や故障、交換が必要などの問題があるが、この送受信手段１８により、検査時間が短縮され、また走査機構の高信頼性化と長寿命化が可能となる。

検査対象４の表面からの反射光線は線形状となり、送受信手段１８で受光され、集光手段７ａで反射された後、集光手段７ｂにより集光径観測手段１９に集光される。そして、集光径観測手段１９の受光面が、集光手段７ｂの焦点に設置されているため、集光径観測手段１９へ集光された線形状の各反射光線は、検査部位に集光したそれぞれの線形状光線２２と共焦点の関係になる。そして、各検査部位がそれぞれ送受信手段１８の焦点に位置した場合、共焦点の原理により、対応する線形状の反射光線の集光幅が最小となる。

集光径観測手段１９では、第１波長選択手段３で選択した光線と同じ波長の反射光線を撮像することにより、ｎ本の線形状の反射光線で構成されるが、波長の異なるｎ個の領域に分けられ、それぞれ波長が異なるため、隣り合う領域や隔たった領域の反射光線が干渉して撮像されることがない。これより、集光径観測手段１９では、線形状の反射光線を同時に撮像でき、共焦点の関係から反射光線の集光幅が最小となる場合の送受信手段１８の焦点距離が、その検査部位の表面高さを表わすことになる。

この場合、送受信手段１８の集光効果のない線方向２３Ｂについては、反射光線の波長の異なるｎ個の領域４２が線形状で空間的に連続し、また集光径観測手段１９が撮像素子であることから、その位置分解能は、集光径観測手段１９の画素の大きさになり、このとき画素の大きさが数μｍであるので高位置分解能となる。このように、線形状の光線２２を検査対象４へ集光することにより、集光効果のない線方向２３Ｂについては、波長の異なるｎ個の領域４２が空間的に連続する線形状の反射光線となるため、検査対象において連続した位置の表面高さを検出でき、検査部位の位置分解能を向上させることができる。

表面高さ演算手段２１では、集光効果のない線方向２３Ｂに直交する各画素行について、反射光線の集光幅が最小となる場合の送受信手段１８への電圧等の付与量を求め、予め記憶されている付与量と送受信手段１８の焦点距離との関係から各画素行に対応する検査部位の表面高さを求め、これを各反射光線の全ての画素行について行うことにより、ｎ本の反射光線の各位置における表面高さを、集光径観測手段１９の画素のみに依存する高空間分解能で一括して求め、広範囲の表面高さを効率的に測定することができる。

従って、本実施形態の表面形状測定装置１２Ａによれば、前記第１の実施の形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（３）及び（４）を奏する。

（３）円筒形光学素子４１で構成される送受信手段１８を用い、線形状光線２２を検査対象４へ集光することにより、集光効果のない線方向２３Ｂに波長の異なるｎ個の領域４２が連続するので、この集光効果のない線方向２３Ｂに対する検査部位の位置分解能を向上させることができる。

（４）送受信手段１８を焦点方向走査手段６により焦点方向へ機械走査する場合、走査に時間がかかる、可動部分の消耗による精度低下や故障、交換が必要などの問題があるが、電圧、圧力、熱等の付与によって光線の焦点距離が変わる送受信手段１８を用いることで、送受信手段１８の焦点方向への機械走査が不要となる。このように機械走査が無いため、検査時間を短縮でき、また走査機構の高信頼性と長寿命化を実現できる。

〔Ｃ〕第３の実施の形態（図６、図７）
図６は、本発明に係る表面形状測定装置の第３の実施の形態を示す構成図である。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は同一の符合を付し、詳細な説明を省略する。

本実施の形態の表面形状測定装置１３Ａは、検査対象の複数の検査部位における表面高さを共焦点法によって一括して測定し、広範囲の表面高さを効率的に測定するものであり、光源１、伝送手段２、第１波長選択手段３、送受信手段２４、集光手段７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、集光径観測手段１９、伝送手段２０、表面高さ演算手段２５、回折光観測手段２６及び表面欠陥判定手段２７を有して構成される。

光源１は、広帯域波長の光線を発するものである。また、伝送手段２は、検査対象４の複数の検査部位を一括して測定するため、光源１からの光線を伝送して複数の光線に分割するものである。更に、第１波長選択手段３は、複数に分割された各光線の波長が異なるように各光線の波長を選択して、光線間の干渉を回避する干渉回避手段である。

送受信手段２４は、焦点距離がそれぞれ異なる光学系（光学レンズ）を移動手段１３による移動方向に沿って複数配置して構成され、波長選択された各光線を検査対象４の各検査部位に集光し、それぞれの反射光線を受光するものである。この送受信手段２４は、分割された光線を検査対象４の各検査部位に集光し、各検査部位にて反射された反射光線を受光するため、格子数ｎ×ｎの格子状に並べられた光学レンズを有してなる。この送受信手段２４は、移動手段１３の移動方向の光学レンズ数がｎ個であり、その焦点距離が全て異なるように配置されている。他方、移動方向に垂直な方向の光学レンズの配置については制限はない。このような送受信手段２４は、例えば、単一レンズや複数枚で構成されるレンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ等を格子状に並べ、その焦点距離が、移動手段１３の移動方向に沿って単調に長く、つまり段階的に徐々に長くなるように配置して構成される。

集光手段７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、検査対象４における各検査部位の反射光線をそれぞれ集光等させるものである。このうち、集光手段７ｃは、各反射光線を取り出すための光学素子であり、集光手段７ａと同様に、例えば、ハーフミラー、ビームスプリッタ、ビームサンプラー等で構成される。また、集光手段７ｄは、格子数ｎ×ｎの格子状に並べられた光学レンズを有してなり、集光手段７ｂと同様に、例えば、単一レンズや複数枚で構成されるレンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ等を格子状に並べて構成される。

集光径観測手段１９は、集光手段７ｂの焦点位置に設置され、集光された各反射光線の波長を選択して他の反射光線との干渉を波長によって避け、各反射光線の集光径を撮像するものである。また、伝送手段２０は、集光径観測手段１９により観測された観測画像を伝送するものである。

表面高さ演算手段２５は、共焦点の原理により、反射光線の集光径が検査部位へ集光した光線の集光径と同一であることから、移動手段１３により送受信手段２４を検査対象４の表面の検査部位に沿って平行に移動させ、反射光線の集光径が送受信手段２４の光学レンズによる焦点の集光径と一致する場合、その光学レンズの焦点距離が検査部位の表面高さとなるとして、各検査部位の表面高さを求めるものである。この表面高さ演算手段２５は、移動手段１３が出力する位置信号と集光径観測手段１９が出力する観測画像とを取り込み、各検査部位の表面高さを演算して記憶する装置である。装置内部には、送受信手段２４を構成する各光学レンズの焦点距離と、各焦点距離における集光径が予め記憶されている。表面高さ演算手段２５は、例えば、位置信号や観測画像の電気信号を取り込むための入力インタフェースを備えたＰＣ（パーソナルコンピュータ）で構成される。ＰＣは、デスクトップＰＣ，ラップトップＰＣ，ノートＰＣ等の汎用ＰＣが適用可能である。

回折光観測手段２６は、集光手段７ｄの焦点位置に設置され、集光された反射光線の内で任意の一つの波長を選択して他の反射光線との干渉を波長によって回避し、その波長の反射光線及びその回折光を撮像するものである。この回折光観測手段２６は、反射光線において、第１波長選択手段３の各格子で選択される波長の中から任意の一つの波長だけを選択し、その波長の光線及びその回折光を撮像するように、一様な波長選択素子を受光面に取り付けた撮像素子で構成される。撮像素子の観測画像は、電気信号に変換されて出力される。波長選択素子は、干渉フィルタ、色ガラスフィルタ等であり、撮像素子は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等で構成される。

表面欠陥判定手段２７は、回折光観測手段２６が撮像した上記回折光の回折像２８（図７）に基づき、後述の如く、検査対象４における表面欠陥の有無及びその位置を判定するものである。この表面欠陥判定手段２７は、移動手段１３が出力する位置信号と回折光観測手段２６が出力する観測画像を取り込み、観測画像から表面欠陥の有無および位置を判定して記憶する装置であり、例えば、位置信号や観測画像の電気信号を取り込むための入力インタフェースを備えたＰＣ（パーソナルコンピュータ）で構成される。ＰＣは、デスクトップＰＣ，ラップトップＰＣ，ノートＰＣ等の汎用ＰＣが適用可能である。

次に、本表面形状測定装置１３Ａの作用を説明する。

光源１からの広帯域波長の光線は、伝送手段２及び第１波長選択手段３によって第１の実施形態と同様の作用を受け、波長がそれぞれ異なる光線数ｎ×ｎの光線になり、送受信手段２４によって検査対象４に集光される。この検査対象４の各検査部位からの反射光線は、送受信手段２４で受光され、集光手段７ａにより分岐される。

集光手段７ａを通った反射光線は、集光手段７ｃで反射された後、格子数ｎ×ｎの集光手段７ｄにより回折光観測手段２６に集光される。回折光観測手段２６は、光線数ｎ×ｎの反射光線の内から任意の一つの反射光線だけを選択し、その反射光線及びその回折光を撮像する。撮像された反射光線の集光像は、回折光観測手段２６が集光手段７ｄの焦点に設置されているため、検査対象４へ集光した同じ波長の光線と共焦点の関係になる。

ここで、この波長の光線が集光される検査部位において、その集光径以下の開口幅の表面欠陥が存在した場合、その表面欠陥により回折光が発生する。例えば、図７に示すように、この回折光の回折像２８が、回折光観測手段２６において撮像される。上記表面欠陥が存在しない場合は、共焦点の関係から検査部位へ集光した光線の集光像２９だけが撮像される。そこで、表面欠陥判定手段２７において、回折像２８の有無を識別することにより、表面欠陥の有無を判定することができる。また、このときの移動手段１３の位置信号から表面欠陥の位置が検出される。

他方、集光手段７ａで反射した反射光線は、格子数ｎ×ｎの集光手段７ｂにより集光径観測手段１９に集光される。集光径観測手段１９は、集光手段７ｂの焦点に設置されているため、集光径観測手段１９へ集光される各反射光線は、検査部位に集光したそれぞれの光線と共焦点の関係になる。この集光径観測手段１９では、第１波長選択手段３で選択された光線と同じ波長の反射光線が撮像されるため、反射光線は光線数ｎ×ｎであり、それぞれの波長が異なるため、隣り合う領域や隔たった領域の反射光線が干渉して撮像されることがない。

ここで、移動手段１３により送受信手段２４を移動させると、検査部位に対し、送受信手段２４における焦点距離が異なるｎ個の光学レンズからの光線が順次集光することになる。このため、表面高さと一致する焦点距離の光学レンズが送受信手段２４の中に存在すると、その光学レンズにおいては、検査部位へ集光される光線の集光径が、その光学レンズの焦点における集光径と一致する。

そこで、共焦点の原理により、検査部位へ集光される光線の集光径が、集光径観測手段１９へ集光される反射光線の集光径と同一であることから、表面高さ演算手段２５において、ｎ×ｎの各検査部位に対し、移動手段１３を移動してそれぞれｎ個の光学レンズの反射光線の集光径を計測し、それぞれの検査部位において、反射光線の集光径がその光学レンズの焦点での集光径と一致する光学レンズの焦点距離を求めることにより、その光学レンズの焦点距離から表面高さを効率的に求めることが可能となる。

従って、本実施形態の表面形状測定装置１３Ａによれば、前記第１の実施の形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）及び（６）を奏する。

（５）伝送手段２により分割された複数の各光線の波長を第１波長選択手段３により異ならせ、この波長がそれぞれ異なる複数の光線を検査対象４へ照射することにより、検査対象４の複数の検査部位からの反射光線が互いに干渉することが防止される。そして、これらの反射光線のうち、回折光観測手段２６により一つの反射光線だけが選択され、この反射光線の集光像２８と共に、その反射光線の回折光による回折像２９が回折光観測手段２６により撮像される。従って、この回折像２９を用いて表面欠陥判定手段２７により、検査対象４の表面欠陥の有無及びその位置を判定することができる。

（６）送受信手段２４を焦点方向に機械走査する場合、走査に時間がかかる、可動部分の消耗による精度低下や故障、交換が必要などの問題があるが、検査対象４へ集光する光線の焦点距離が全て異なる光学レンズが移動手段１３の移動方向に沿って複数配置され、移動手段１３の移動によって検査部位に対し焦点距離が変わる送受信手段２４を用いることで、送受信手段２４の焦点方向への機械走査が不要となる。このように機械走査が無いため、検査時間を短縮でき、また高信頼性と長寿命化を実現できる。

〔Ｄ〕第４の実施の形態（図８）
図８は、本発明に係る表面形状測定装置の第４の実施の形態を示す構成図である。この第４の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は同一の符合を付し、詳細な説明を省略する。

本実施の形態の表面形状測定装置１４Ａは、検査対象の複数の検査部位における表面高さを共焦点法によって一括して測定し、広範囲の表面高さを効率的に測定するものであり、光源１Ａ、伝送手段２、時間差生成手段３０、送受信手段３１、集光手段７ａ、７ｂ、開口手段８、伝送手段９、波長測定手段３２及び表面高さ演算手段３３を有して構成される。

光源１Ａは、広帯域波長のパルス光線を発するものである。また、伝送手段２は、検査対象４の複数の検査部位を一括して測定するため、光源１Ａからのパルス光線を伝送して複数（ｎ×ｎ）のパルス光線に分割するものである。

時間差生成手段３０は、複数に分割されたパルス光線のそれぞれに異なる時間差を持たせ、各パルス光線の時間が異なるようにして、光線間の干渉を回避する干渉回避手段である。この時間差生成手段３０は、伝播媒体の屈折率や伝播距離などを各光線で変えることにより、光線数ｎ×ｎに分割された各パルス光線のそれぞれに異なる伝播時間差を持たせ、各パルス光線の時間が異なるようにして光線間の干渉を避ける光学素子または光学系である。この時間差生成手段３０は、例えば、屈折率がそれぞれ異なる格子数ｎ×ｎの格子状の光学レンズ、長さがそれぞれ異なる本数ｎ×ｎの光ファイバ、または複数枚のミラーの間隔を伝播距離としてミラー間隔がそれぞれ異なる個数ｎ×ｎの光学系など、で構成される。各パルス光線の時間がそれぞれ異なるように、伝播媒体の屈折率や伝播距離が調整される。

送受信手段３１は、光線の波長によって焦点距離を異ならせる光学レンズを複数有し、時間が異なる各光線を検査対象４の各検査部位に集光し、時間がそれぞれ異なる各反射光線を受光するものである。この送受信手段３１は、光線の波長によって焦点距離が異なり、時間が異なる各光線を検査対象４の各検査部位に集光し、時間がそれぞれ異なる各反射光線を受光するため、格子数ｎ×ｎの格子状に並べられた色収差を有する複数の光学レンズを有してなり、各光学レンズの色収差により光線の波長によって焦点距離を異ならせる。

集光手段７ａ、７ｂは、各検査部位からのそれぞれの反射光線をそれぞれ集光させるものである。また、開口手段８は、集光手段７ｂの焦点位置に設置され、集光された各反射光線を通過させるものである。更に、伝送手段９は、開口手段８を通過した各反射光線を伝送するものである。

波長測定手段３２は、伝送手段９による伝送後の反射光線の波長を計測するものである。この波長測定手段３２は、反射光線を受光してその反射光線の波長を測定する装置であり、波長値に関する信号を出力する。この波長測定手段３２は、例えば、分光器や波長計等で構成される。

表面高さ演算手段３３は、焦点距離が検査部位の位置に一致する波長の光線の集光径が最小になるため、共焦点の原理により、開口手段８を通過する反射光線の集光径が、焦点距離が検査部位の位置に一致する波長で最小となり、その光量が最大となり、その波長の焦点距離が表面高さになるとして、各検査部位の表面高さを求めるものである。この表面高さ演算手段３３は、波長測定手段３２が出力する波長値に関する信号を取り込み、各検査部位の表面高さを演算して記憶する装置である。装置内部には、送受信手段３１における波長と焦点距離の関係が予め記憶されている。表面高さ演算手段３３は、例えば、波長値に関する信号を取り込むための入力インタフェースを備えたＰＣ（パーソナルコンピュータ）で構成される。ＰＣは、デスクトップＰＣ，ラップトップＰＣ，ノートＰＣ等の汎用ＰＣが適用可能である。

次に、本表面形状測定装置１４Ａの作用を説明する。

光源１Ａからの広帯域波長のパルス光線は、伝送手段２によって伝送されると共に、光線数ｎ×ｎの光線に分割られ、さらに時間差生成手段３０により、時間がそれぞれ異なる光線数ｎ×ｎのパルス光線になる。

時間が異なる各パルス光線は、集光手段７ａを通った後、送受信手段３１によって検査対象４のｎ×ｎの検査部位にそれぞれ順次集光される。この場合、各パルス光線には、異なる波長が含まれるため、波長によって異なる焦点距離が存在する。各検査部位からの反射パルス光線は時間がそれぞれ異なるが、送受信手段３１で受光され、集光手段７ａで反射し、格子数ｎ×ｎの集光手段７ｂにより開口手段８の各開口に集光される。

開口手段８に集光される反射光線の集光径は、共焦点の関係より、検査部位へ集光した光線の集光径と同一となるため、検査部位へ集光した光線の焦点距離と検査部位の位置が一致する波長の反射光線の集光径が最小となり、開口を通過する光量は、この波長において最大となる。

波長測定手段３２では、各反射パルス光線の時間が異なるため、開口を通過して伝送手段８により次々と伝送される反射パルス光線を順次受光し、その波長を順次測定する。反射パルス光線は、光線数ｎ×ｎであるが、時間がそれぞれ異なるため、波長測定手段３２では異なる時間に受光することになり、隣り合う反射光線や隔たった反射光線が干渉して検出されることがない。これにより、波長測定手段３２では、それぞれの反射パルス光線の波長だけを検出でき、光量が最大の波長における焦点距離が、その検査部位の表面高さを表わすことになる。

そこで、表面高さ演算手段３３によって、時間が異なるため順次伝送される反射パルス光線に対し、その波長における焦点距離を順次求めることにより、各反射光線が干渉することなく、ｎ×ｎの検査部位の表面高さを順次求め、広範囲の表面高さを一括して測定する。

従って、本実施形態の表面形状測定装置１４Ａによれば、次の効果（７）及び（８）を奏する。

（７）検査対象４における複数の検査部位の表面高さ（表面形状）を、共焦点法を用いて一括して測定する場合、伝送手段２により分割された複数のパルス光線の時間を時間差生成手段３０により異ならせ、この時間がそれぞれ異なるパルス光線を検査対象４へ照射することにより、検査対象４の各検査部位からの各反射光線の時間がそれぞれ異なり、このため、これらの各反射光線が互いに干渉することを確実に防止できる。この結果、検査対象４の複数の検査部位の表面高さを一括して測定でき、検査対象４の表面形状（表面高さ）を広範囲に効率的に測定することができる。

（８）送受信手段３１を焦点方向に機械走査する場合、走査に時間がかかる、可動部分の消耗による精度低下や故障、交換が必要などの問題があるが、光線の波長によって焦点距離を異ならせる送受信手段３１を用いることで、送受信手段３１の焦点方向への機械走査が不要となる。このように機械走査が無いため、検査時間を短縮でき、また高信頼性と長寿命化を実現できる。

〔Ｅ〕第５の実施の形態（図９）
図９は、本発明に係る表面形状測定装置の第５の実施の形態を示す構成図である。この第５の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は同一の符合を付し、詳細な説明を省略する。

本実施の形態の表面形状測定装置１５Ａは、検査対象の複数の検査部位における表面高さを共焦点法によって一括して測定し、広範囲の表面高さを効率的に測定するものであり、光源３４、伝送手段２、第１波長選択手段３、送受信手段５、焦点方向走査手段６、集光手段７ａ、７ｂ、非線形結晶３５、伝送手段９、第２波長選択手段１０、光検出器１１及び表面高さ演算手段１２を有して構成される。

光源３４は、超短パルス光を発光するものである。この超短パルス光を発する光源３４は、フェムト秒からピコ秒程度のパルス時間幅のパルス光線を発する光源で構成される。このような光源は、例えば、チタンサファイア結晶を用いた超短パルスレーザなど、既に普及している。

伝送手段２は、検査対象４の複数の検査部位を一括して測定するため、光源からの光線を伝送して複数の光線に分割するものである。また、第１波長選択手段３は、複数に分割された各光線の波長が異なるように各光線の波長を選択して、光線間の干渉を回避する干渉回避手段である。更に、送受信手段５は、第１波長選択手段３により波長選択された各光線を検査対象４の各検査部位に集光し、それぞれの反射光線を受光するものである。

焦点方向走査手段６は、共焦点法によって各検査部位の表面高さを求めるため、送受信手段５をその焦点方向に走査するものである。また、集光手段７ａ、７ｂは、送受信手段５を走査して得られた各検査部位の反射光線をそれぞれ集光させるものである。

非線形結晶３５は、集光手段７ｂの焦点位置に設置され、集光される各反射光線によって非線形強度の光をそれぞれ発生するものである。この非線形結晶３５は、超短パルス光が集光されることによって非線形強度の光を発する結晶であり、例えば、ＬＢＯ結晶（ＬｉＢ_３Ｏ_５）、ＢＢＯ結晶（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）等が挙げられる。なお、非線形結晶３５は、異なる非線形結晶を格子状に配置して構成する必要はなく、単一の一様な非線形結晶で構成することができる。この非線形結晶３５は、集光される光の強度の２次または３次に比例する非線形強度の光を発する。超短パルス光は高ピーク強度であるため、この超短パルス光を非線形結晶３５に集光することにより、非線形効果が大きな非線形強度の光を発生させることができる。

伝送手段９は、非線形結晶３５からの非線形強度の各光を伝送するものである。また、第２波長選択手段１０は、伝送手段９による伝送後の非線形強度の各光の波長を選択して、他の非線形強度の光との干渉を波長によって回避するものである。

光検出器１１は、第２波長選択手段１０による波長選択後の非線形強度の各光の強度が、非線形結晶３５に集光される各反射光線の強度の２次または３次に比例して非線形にそれぞれ変わることから、非線形強度の各光の光量を検出するものである。

表面高さ演算手段１２は、共焦点の原理により、反射光線の集光径が、送受信手段６を焦点方向に走査して検査部位の位置が送受信手段５の焦点と一致した場合に最小となり、この時、非線形強度の光の強度が非線形で最大となるため、光検出器１１の検出光量が最大となる送受信手段５の位置が検査部位の表面高さになるとして、各検査部位の表面高さを求めるものである。

次に、本表面形状測定装置１５Ａの作用を説明する。

光源３４からの超短パルス光線は、伝送手段２及び第１波長選択手段３によって第１の実施形態と同様の作用を受け、波長がそれぞれ異なる光線数ｎ×ｎの光線になり、送受信手段５によって検査対象４に集光される。各検査部位からの反射光線は、送受信手段５で受光され、集光手段７ａ、７ｂにより非線形結晶３５にそれぞれ集光される。

共焦点の原理により、非線形結晶３５に集光された反射光線の集光径が、検査部位へ集光した光線の集光径と同一になることから、各反射光線の集光径は、各検査部位へ集光される各光線の焦点が検査部位とそれぞれ一致した場合に最小となる。このとき、各反射光線により非線形結晶３５のそれぞれの部位に発生する非線形強度の光は、集光される反射光線の強度の２次または３次に比例して強度が非線形に大きくなるため、その強度が最大となる。

この際、非線形強度の光は、非線形結晶３５により波長が変換されているが、集光される反射光線が高ピーク強度であることから非線形効果が大きく、その強度が、集光される光の強度の２次または３次に比例して非線形に大きくなるため、最大強度の検出が容易になっている。

また、開口手段８（図１）を用いた場合には、集光される各反射光線の光軸を開口位置にそれぞれ合わせる必要が生じる場合があるが、非線形結晶３５は単一の一様な結晶で構成されているので、各反射光線の光軸を合わせる必要がない。

光電変換器数ｎ×ｎの光検出器１１では、非線形結晶３５により波長変換された波長を第２波長選択手段１０によって波長選択し、非線形強度の光をそれぞれ受光する。尚、非線形結晶３５による変換波長は、反射光線の波長からわかるため、第２波長選択手段１０の各格子の選択波長は、各反射光線の波長に基づき予め設定される。

非線形強度の光は、光線数ｎ×ｎであるが、波長がそれぞれ異なるため、光検出器１１では隣り合う非線形強度の光や隔たった非線形強度の光が干渉して検出されることがない。これにより、光検出器１１の各光電変換器では、それぞれの非線形強度の光の光量だけを検出でき、共焦点の関係から、非線形強度の光の強度が最大となる場合の送受信手段５の位置が、その検査部位の表面高さを表わすことになる。

非線形強度の光は、その強度が非線形に変化するため、光検出器１１の各光電変換器における最大光量の検出が容易になる。そこで、表面高さ演算手段１２によって、非線形強度の各光の光量が最大となる場合の送受信手段５の位置をそれぞれ求めることにより、非線形強度の各光が干渉することなく、検査対象４のｎ×ｎの検査部位における表面高さを容易に一括して求め、広範囲の表面高さを効率的に測定することが可能となる。

従って、本実施形態の表面形状測定装置１５Ａによれば、次の効果（９）及び（１０）を奏する。

（９）非線形結晶３５が、超短パルス光を用いることにより、集光される反射光線の強度の２次または３次に比例する非線形強度の光を発生することから、その最大強度から、共焦点の原理により各検査部位の表面高さを容易に一括して測定でき、検査対象４の広範囲の表面形状（表面高さ）を効率的且つ容易に測定することができる。

（１０）開口手段８（図１）を用いた場合には、集光される各反射光線の光軸を開口位置にそれぞれ合わせる必要が生じる場合があるが、非線形結晶３５の場合には、単一の一様な結晶で構成されているので、集光手段７ｂからの各反射光線の光軸を合わせる必要がなく、測定を容易化できる。

以上、本発明を上記各実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、第２の実施の形態の表面形状測定装置１２Ａ及び第３の実施の形態の表面形状測定装置１３Ａにおいて、干渉回避手段は、複数に分割された各光線の波長が異なるように波長選択する第１波長選択手段３の場合を述べたが、光線として光源１Ａからのパルス光線を用い、複数の分割されたパルス光線の時間が異なるようにして各パルス光線間の干渉を回避する時間差生成手段であってもよい。

また、第１の実施の形態の表面形状測定装置１１Ａにおける送受信手段５の複数の光学レンズ、第３の実施の形態の表面形状測定装置１３Ａにおける送受信手段２４の複数の光学レンズ、第４の実施の形態の表面形状測定装置１４Ａにおける送受信手段３１の複数の光学レンズ、第５の実施の形態の表面形状測定装置１５Ａにおける送受信手段５の複数の光学レンズを、第２の実施の形態の表面形状測定装置１２Ａにおける送受信手段１８の複数の円筒形光学素子４１を用いて構成し、検査対象４へ線形状の光線を集光させてもよい。この場合、第１、第４の実施の形態において、開口手段８の開口は最小幅のスリット形状に形成される。

更に、第３の実施の形態の表面形状測定装置１３Ａにおいて、回折光観測手段２６、表面欠陥判定手段２７、集光手段７ｃ及び７ｄを用いて、検査対象の表面欠陥を検出するものを述べたが、これらを第１の実施の形態の表面形状測定装置１１Ａ、第２の実施の形態の表面形状測定装置１２Ａ、第５の実施の形態の表面形状測定装置１５Ａにそれぞれ適用してもよい。

また、第１の実施の形態の表面形状測定装置１１Ａにおける移動手段１３及び繋ぎ合せ演算手段１４を、第２の実施の形態の表面形状測定装置１２Ａ、第３の実施の形態の表面形状測定装置１３Ａ、第４の実施の形態の表面形状測定装置１４Ａ、第５の実施の形態の表面形状測定装置１５Ａにそれぞれ適用して、検査領域１５及び１６に重複部分１７を持たせ、この重複部分１７を繋ぎ合せるようにして、広範囲の測定を実施してもよい。

本発明に係る表面形状測定装置の第１の実施の形態を示す構成図。 図１の表面形状測定装置による検査領域を示す図。 本発明に係る表面形状測定装置の第２の実施の形態を示す構成図。 図３の表面形状測定装置における送受信手段を示す斜視図。 図４の送受信手段により検査対象へ集光される光線を示す図。 本発明に係る表面形状測定装置の第３の実施の形態を示す構成図。 図６の表面形状測定装置における回折光観測手段により観測される反射光線の集光像と回折像を示す図。 本発明に係る表面形状測定装置の第４の実施の形態を示す構成図。 本発明に係る表面形状測定装置の第５の実施の形態を示す構成図。 従来の表面形状測定装置（共焦点顕微鏡）を示す構成図。

符号の説明

１ 光源
１Ａ 光源
２ 伝送手段
３ 第１波長選択手段
４ 検査対象
４Ａ 検査部位
５、１８、２４、３１ 送受信手段
６ 焦点方向走査手段
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 集光手段
８ 開口手段
９、２０ 伝送手段
１０ 第２波長選択手段
１１ 光検出器
１１Ａ 表面形状測定装置
１２、２１、２５、３３ 表面高さ演算手段
１２Ａ、１３Ａ、１４Ａ、１５Ａ 表面形状測定装置
１３ 移動手段
１４ 繋ぎ合せ演算手段
１５、１６ 検査領域
１７ 重複部分
１９ 集光径観測手段
２２ 線形状光線
２３Ａ 集光効果のある方向
２３Ｂ 集光効果のない線方向
２６ 回折光観測手段
２７ 表面欠陥判定手段
３０ 時間差生成手段
３２ 波長測定手段
３４ 超短パルス光の光源
３５ 非線形結晶
４１ 円筒形光学素子
４２ 波長の異なる領域

Claims (12)

1. 広帯域波長の光線を発する光源と、
   この光源からの光線を伝送して複数の光線に分割する伝送手段と、
   複数に分割された各光線の波長が異なるように各光線の波長を選択する第１波長選択手段と、
   波長選択された各光線を検査対象の各検査部位に集光し、各検査部位からの反射光線を受光する送受信手段と、
   この送受信手段をその焦点方向に走査する焦点方向走査手段と、
   上記送受信手段を走査して得られた各検査部位の反射光線をそれぞれ集光させる集光手段と、
   この集光手段の焦点位置に設置され、集光された各反射光線を通過させる開口手段と、
   この開口手段を通過した各反射光線の波長を選択して他の反射光線との干渉を波長によって回避する第２波長選択手段と、
   波長選択後の反射光線が前記開口手段を通過した反射光線を表わし、この開口手段を通過する反射光線の光量がその集光径で変わることから、波長選択後の各反射光線の光量を検出する光検出器と、
   共焦点の原理により、検査部位の位置が前記送受信手段の焦点と一致した場合に反射光線の集光径が最小となり、前記開口手段を通過する光量が最大となるため、前記光検出器による検出光量が最大となる前記送受信手段の位置を表面高さとして、各検査部位の表面高さを求める表面高さ演算手段と、を有することを特徴とする表面形状測定装置。
2. 広帯域波長の光線を発する光源と、
   この光源からの光線を伝送して複数の光線に分割する伝送手段と、
   複数に分割された各光線間の干渉を回避する干渉回避手段と、
   焦点距離が外的作用により変更可能とされ、干渉が回避された各光線を検査対象の各検査部位に集光し、各検査部位からの反射光線を受光する送受信手段と、
   この送受信手段にて得られた各検査部位からの反射光線をそれぞれ集光させる集光手段と、
   この集光手段の焦点位置に設置され、集光された各反射光線どうしの干渉を回避し、各反射光線の集光径を撮像する集光径観測手段と、
   共焦点の原理により、反射光線の集光径が最小となるときの前記送受信手段の焦点距離が検査部位の表面高さとなることから、反射光線の集光径が最小になるときの外的作用の付与量を検出し、予め把握している上記付与量と上記焦点距離との関係から各検査部位の表面高さを求める表面高さ演算手段と、を有することを特徴とする表面形状測定装置。
3. 前記送信手段は、外的作用としての電圧、圧力、熱等の付与により焦点距離が変更され、
   また、前記表面高さ演算手段は、共焦点の原理により、反射光線の集光径が最小となるときの上記送受信手段の焦点距離が検査部位の表面高さとなることから、反射光線の集光径が最小となるときの電圧、圧力、熱等の付与量を検出し、予め把握している上記付与量と焦点距離との関係から各検査部位の表面高さを求めることを特徴とする請求項２に記載の表面形状測定装置。
4. 広帯域波長の光線を発する光源と、
   この光源からの光線を伝送して複数の光線に分割する伝送手段と、
   複数に分割された各光線間の干渉を回避する干渉回避手段と、
   焦点距離がそれぞれ異なる光学系を移動手段による移動方向に沿って複数配置して構成され、干渉が回避された各光線を検査対象の各検査部位に集光し、各検査部位からの反射光線を受光する送受信手段と、
   この送受信手段にて得られた各検査部位からの反射光線をそれぞれ集光させる集光手段と、
   この集光手段の焦点位置に設置され、集光された各反射光線どうしの干渉を回避し、各反射光線の集光径を撮像する集光径観測手段と、
   共焦点の原理により、反射光線の集光径が検査部位へ集光した光線の集光径と同一であることから、前記移動手段により前記送受信手段を検査対象の表面に沿って平行に移動させ、反射光線の集光径が前記送受信手段の一つの光学系による焦点の集光径と一致する場合、その光学系の焦点距離が検査部位の表面高さになるとして、これらの各検査部位の表面高さを求める表面高さ演算手段と、を有することを特徴とする表面形状測定装置。
5. 広帯域波長の光線を発する光源と、
   この光源からの光線を伝送して複数の光線に分割する伝送手段と、
   複数に分割された各光線間の干渉を回避する干渉回避手段と、
   光線の波長によって焦点距離を異ならせる光学系を複数有し、干渉が回避された各光線を検査対象の各検査部位に集光し、各検査部位からの反射光線を受光する送受信手段と、
   この送受信手段にて得られた各検査部位からの反射光線をそれぞれ集光させる集光手段と、
   この集光手段の焦点位置に設置され、集光された各反射光線を通過させる開口手段と、
   この開口手段を通過した各検査部位からの反射光線の波長を計測する波長計測手段と、
   焦点距離と検査部位が一致する波長の光線の集光径が最小となるため、共焦点の原理により、反射光線の集光径が最小でその光量が最大となる波長の焦点距離が表面高さになるとして、これらの各検査部位の表面高さを求める表面高さ演算手段と、を有することを特徴とする表面形状測定装置。
6. 前記干渉回避手段は、複数に分割された各光線の波長が異なるように各光線の波長を選択して、これら各光線間の干渉を回避する波長選択手段であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の表面形状測定装置。
7. 前記光源は広帯域波長のパルス光線を発し、また、前記干渉回避手段は、複数に分割されたパルス光線のそれぞれに異なる時間差を持たせ、各パルス光線の時間が異なるようにして各光線間の干渉を回避する時間差生成手段であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の表面形状測定装置。
8. 超短パルス光を発する光源と、
   この光源からの光線を伝送して複数の光線に分割する伝送手段と、
   複数に分割された各光線の波長が異なるように各光線の波長を選択する第１波長選択手段と、
   波長選択された各光線を検査対象の各検査部位に集光し、各検査部位からの反射光線を受光する送受信手段と、
   この送受信手段をその焦点方向に走査する焦点方向走査手段と、
   上記送受信手段を走査して得られた各検査部位の反射光線をそれぞれ集光させる集光手段と、
   この集光手段の焦点位置に設置され、集光された各反射光線によって非線形強度の光をそれぞれ発生する非線形光学結晶と、
   非線形強度の各光の波長を選択して他の非線形強度の光との干渉を波長によって回避する第２波長選択手段と、
   波長選択後の非線形強度の各光の強度が、前記非線形光学結晶に集光される各反射光線の強度の２次または３次に比例して非線形に変わることから、非線形強度の各光の光量を検出する光検出器と、
   共焦点の原理により、反射光線の集光径が、前記送受信手段を焦点方向に走査して検査部位の位置が上記送受信手段の焦点と一致した場合に最小となり、このとき、非線形強度の光の強度が非線形で最大となるため、前記光検出器による検出光量が最大となる前記送受信手段の位置が表面高さになるとして、各検査部位の表面高さを求める表面高さ演算手段と、を有することを特徴とする表面形状測定装置。
9. 前記送受信手段が複数の円筒形光学素子で構成され、検査対象へ線形状の光線を集光して、集光効果のない線方向に波長の異なる複数の領域を空間的に連続させることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の表面形状測定装置。
10. 前記集光手段の焦点位置に設置され、集光された反射光線の内で任意の一つの波長を選択して他の反射光線との干渉を波長によって回避し、その波長の反射光線及びその回折光を撮像する回折光観測手段と、上記回折光に基づき検査対象における表面欠陥の有無およびその位置を判定する表面欠陥判定手段と、を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか、請求項８または請求項９に記載の表面形状測定装置。
11. 前記送受信手段を検査対象の表面と平行に移動させて当該検査対象の表面高さを測定する場合、この検査対象の検査領域を重複させて測定結果の重複部分を繋ぎ合せ、広範囲の表面高さを求める繋ぎ合せ演算手段を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の表面形状測定装置。
12. 光源からの光を複数に分割して検査対象の各検査部位へ集光し、これらの検査部位からの各反射光線を受光し、各反射光線の集光径または光量から共焦点の原理により上記検査対象の表面高さを測定するに際し、上述の分割された複数の光線の波長を異ならせ、または分割された複数のパルス光線のそれぞれに異なる時間差を持たせて、これらの光線間の干渉を回避することを特徴とする表面形状測定方法。

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